專(zhuān)利名稱:銅錫合金、復(fù)合材料及其用途的制作方法
銅錫合金、復(fù)合材料及其用途本發(fā)明涉及一種銅錫合金,含有這種銅錫合金的復(fù)合材料以及該銅錫合金和復(fù)合材料的用途。該銅錫合金以及含有其的復(fù)合材料特別適用于電工學(xué)和電子器件中的連接元件。特別地,本發(fā)明涉及可回收性問(wèn)題。在電工學(xué)和電子器件中,目前通常在廣泛的范圍內(nèi)將基于Cu-Zn、Cu-Sn和Cu-Fe 的銅合金用于連接元件。這些合金特別用于引線框(Manzgitter)和插入式連接器 (Steckverbinder)。對(duì)此,材料選擇的重要標(biāo)準(zhǔn)是彈性模量、屈服強(qiáng)度、松弛行為和可彎曲性。除了足夠的機(jī)械強(qiáng)度外,導(dǎo)電性和耐腐蝕性代表在整個(gè)體系的使用壽命期間組件的可靠運(yùn)行的重要標(biāo)準(zhǔn)。在這種情況下,通常存在性能需求的沖突,這些需求在原則上彼此相互排斥,例如良好的導(dǎo)電性與高的耐腐蝕性的組合。銅中的合金化元素例如鎳和鉻,如果一方面改善耐腐蝕性,則另一方面顯著降低導(dǎo)電性。與其它金屬材料的可焊性問(wèn)題,特別是激光焊接也變得日益重要。鑒于近年來(lái)金屬價(jià)格過(guò)度升高,用過(guò)的合金的可回收性問(wèn)題正好也變得越來(lái)越特別重要。Cu-Zn或黃銅合金是固溶強(qiáng)化的材料。其是通常含有5-40重量%鋅的二元合金。 隨著鋅含量升高,拉伸強(qiáng)度和硬度增加。在30重量%的鋅時(shí),延伸率達(dá)到最大值。更高的強(qiáng)度值和硬度值僅能通過(guò)冷成型才能獲得。對(duì)于例如由CuSi 30合金或Cuai 37合金制成的回彈帶型插入式連接器,通常要求Hv = 150的維氏硬度。此外,對(duì)于90°彎曲角,標(biāo)準(zhǔn)化到板厚S的最小彎曲半徑r/s = 1必須是可觀察的。然而,銅鋅合金的缺點(diǎn)在于相對(duì)不好的可焊性,因?yàn)楹辖鸹劁\具有相對(duì)高的蒸氣壓力。在1.013巴下,純鋅在907°C下已沸騰。另外,銅鋅合金具有約110KN/ mm2的低彈性模量(Si單位GPa)。此外,出于防腐蝕原因而鍍錫的黃銅帶由于加入錫而不易回收。銅鋅合金的松弛行為也凸顯出來(lái),由此限制了可使用它們的溫度。Cu-Sn合金,也稱為錫青銅,屬于最古老的工藝上可用的銅合金。通常將一些磷添加到Cu-Sn合金中,因此該合金也被稱作磷青銅。這些合金的性質(zhì)主要由通常為4-8重量% 的錫含量確定。磷青銅的彈性模量視錫含量而定,為115-120KN/mm2(SI單位GPa)。錫青銅的彎曲性是突出的。在給定的回火狀態(tài)下,升高的錫含量改善彎曲性行為。由磷青銅制成的回彈帶可以毫無(wú)問(wèn)題地強(qiáng)化到維氏硬度為Hv = 200的硬度水平,并且在90°彎曲角下仍具有r/s = 1的彎曲性。錫黃銅或磷黃銅是激光可焊的,因?yàn)檫@些合金不包含任何易揮發(fā)的元素(特別是鋅)或任何干擾的第二相。錫青銅或磷青銅的松弛行為優(yōu)于黃銅合金, 盡管其達(dá)不到可硬化的銅材料的水平。當(dāng)要求良好至極好的回彈性、良好的電和熱負(fù)荷能力、低的應(yīng)力松弛、良好的可彎曲性、良好的可焊性和軟焊性時(shí),Cu-Sn合金以帶材的形式用于沖壓件和插入式連接器。磷青銅以鍍錫的形式也能良好回收。錫已如此地存在于該合金中。Cu-Fe合金屬于低合金銅材料。通過(guò)少量添加鐵和磷可改善純銅的材料性質(zhì),例如強(qiáng)度、軟化行為或松弛行為。特別地,回火階段ΠΙ中,Ci^e2P合金在汽車(chē)技術(shù)中對(duì)于引線框是常用的。在該回火階段中,該材料具有Rm = 420-500N/mm2(SI單位MPa)的拉伸強(qiáng)度。維氏硬度為Hv= 130-150。還提供尖銳的彎曲性。彈性模量約為125KN/mm2 (GPa)以及材料因此具有良好的回彈性屬于Ci^e2P合金的優(yōu)點(diǎn)。導(dǎo)電性為60%-70% IACS(國(guó)際退火銅標(biāo)準(zhǔn)100% IACS相應(yīng)于約58MS/m)。出于防腐蝕原因,材料的鍍錫是很可能的。CuFe2P合金不能形成均勻的材料,而是具有 ^2Ρ析出物被視為其缺點(diǎn)。因此這使激光焊接變得特別困難。如果在點(diǎn)焊時(shí)激光束射在較粗糙的 ^2Ρ析出物上,則其會(huì)偏移, 由此使貫穿焊接變得不令人滿意。另一缺點(diǎn)在于Ci^e2P合金的鍍錫的廢料的難回收性。 Ci^e2P合金的導(dǎo)電性在熔化時(shí)通過(guò)約1重量%的進(jìn)入溶體中的錫降低25%。在制造引線框時(shí),通常占所使用材料的50%-70%的鍍錫的沖壓件廢料(Manzschrotte)不能直接回收到熔化過(guò)程,而是必須經(jīng)過(guò)復(fù)雜的熔煉和電化學(xué)分離。因此作為陰極回收到材料循環(huán)中。 此過(guò)程是能量非常密集的,并因此相對(duì)于直接熔化廢料是非常昂貴的。由
圖1可見(jiàn),對(duì)于Ci^e2P合金,錫含量對(duì)導(dǎo)電性的影響是清楚的。導(dǎo)電性在錫含量?jī)H為0. 3重量%時(shí)就已顯著下降。如果例如出于腐蝕防護(hù)原因?qū)⒂蒀i^e2P合金制成的
0.4mm厚的帶材在兩側(cè)均涂覆約3 μ m的錫,則在該廢料的基礎(chǔ)上直接回收時(shí)會(huì)導(dǎo)致具有約
1.5重量%的錫污染的Ci^e2P合金。除了導(dǎo)電性明顯損失外,該錫含量在強(qiáng)化行為上也具有明顯的負(fù)面作用。本發(fā)明的目的是詳述一種合金和復(fù)合材料,其在其物理性質(zhì)和工藝性能上盡可能相應(yīng)于Ci^e2P合金,盡可能會(huì)是良好地激光可焊的,并且能被良好回收。本發(fā)明的另一目的在于詳述這種合金和復(fù)合材料的用途。通過(guò)具有根據(jù)權(quán)利要求1的組成的銅錫合金,關(guān)于合金的上述目的得以實(shí)現(xiàn)。因此該銅錫合金包含0. 2-0. 8重量%的錫(Sn)、0. 1-0. 6重量%的鎳(Ni)和/或鈷(Co)、 0-0. 05重量%的鋅( )、0-0. 02重量%的鐵0^)、0.008-0.05重量%磷(P)以及余量的銅 (Cu)。在此,本發(fā)明基于這樣的考慮詳述一種替換Ci^e2P合金的新型合金,該新型合金具有類(lèi)似的性質(zhì),但在鍍錫的狀態(tài)下也能易于被回收。純Cu-Sn合金,如CuSnO. 15合金無(wú)疑具有這種潛能,可以被用作這樣的替代物。涂覆有錫的這種合金的廢料可以直接進(jìn)入材料循環(huán)。在這種情況下,機(jī)械性質(zhì)和工藝性能相對(duì)良好地相應(yīng)于Ci^e2P合金的機(jī)械性質(zhì)和工藝性能。但在軟化行為和耐松弛性上出現(xiàn)明顯的缺陷。目前,大量實(shí)驗(yàn)表明,具有針對(duì)性地調(diào)整合金化元素錫、鎳和/或鈷以及磷的銅錫合金不僅達(dá)到類(lèi)似于Ci^e2P合金的機(jī)械性質(zhì)和工藝性能,而且在軟化行為和松弛方面上也達(dá)到對(duì)各自的再加工性和最終應(yīng)用性所要求的性能組合,即在高溫和壓力下部件的蠕變。在此,鎳或鈷以給定的含量存在。此處優(yōu)選用鈷替換部分鎳,然后兩種合金化元素一起達(dá)到給定的含量。下表顯示Cu-Sn合金(根據(jù)本發(fā)明的)與Cu!^2P合金在工藝性能和物理性質(zhì)上的比較。
權(quán)利要求
1.銅錫合金,包含0. 2-0. 8 重量%的 Sn,0. 1-0. 6重量%的Ni和/或Co,0-0. 05 重量%的 Zn,0-0. 02重量%的佝,0. 008-0. 05 重量%的 P,以及余量的Cu。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的銅錫合金,具有0.3-0. 7重量%,特別是0. 4-0. 6重量%的Sn含量。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的銅錫合金,具有0.2-0. 55重量%,特別是0. 3-0. 5重量%的 Ni和/或Co含量。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求任一項(xiàng)的銅錫合金,具有0.008-0.03重量%,特別是 0. 008-0. 015重量%的P含量。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的銅錫合金,包含 0. 3-0. 7 重量%的 Sn,0. 2-0. 55 重量% 的 Ni 禾口 / 或 Co, 0-0. 04 重量%的 Zn, 0-0. 015 重量%的 Fe, 0. 008-0. 03 重量%的 P, 以及余量的Cu。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的銅錫合金,包含 0. 4-0. 6 重量%的 Sn,0. 3-0. 5重量%的Ni和/或Co, 0-0. 03 重量%的 Zn, 0-0.01重量%的佝, 0. 008-0. 015 重量%的 P, 以及余量的Cu。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求任一項(xiàng)的銅錫合金,其中雜質(zhì)和其它摻入物之和最高為0.3重量%。
8.復(fù)合材料,其含有根據(jù)前述權(quán)利要求任一項(xiàng)的基底材料和施加于此的錫層。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的復(fù)合材料,其中錫層具有1-3μ m的厚度。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或9的復(fù)合材料,在基底材料和錫層之間具有過(guò)渡層,其中所述過(guò)渡層包括Cu、Ni和/或Co以及Sn的金屬間相。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的復(fù)合材料,其中過(guò)渡層具有0.1-1 μ m的厚度。
12.根據(jù)權(quán)利要求1-7中任一項(xiàng)的銅錫合金的用途,用于帶材、線材、箔材、成型帶材、 沖壓件或插入式連接器。
13.根據(jù)權(quán)利要求8-11中任一項(xiàng)的復(fù)合材料的用途,用于帶材、線材、箔材、成型帶材、 沖壓件或插入式連接器。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種銅錫合金,其包含0.2-0.8重量%的Sn,0.1-0.6重量%的Ni和/或Co,0-0.05重量%的Zn,0-0.02重量%的Fe,0.008-0.05重量%的P,以及余量的Cu。本發(fā)明還涉及相應(yīng)的具有由這種合金制備的基礎(chǔ)材料的復(fù)合材料及其合適的用途。其工藝性能和物理性質(zhì)與CuFe2P合金是相似的。但本發(fā)明所的合金以及由其制備的鍍錫的復(fù)合材料能夠易于被回收。
文檔編號(hào)C22C9/02GK102177265SQ200980139788
公開(kāi)日2011年9月7日 申請(qǐng)日期2009年10月27日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月31日
發(fā)明者A·海德, M·科勒, R·霍達(dá), U·瑞普 申請(qǐng)人:松德維希爾銅管廠有限責(zé)任兩合公司